基于永磁吸附的船体维护爬壁机器人设计

为了研制可适应大曲率工作环境且效率较高的爬壁机器人,代替人工对船体进行除锈抛光等工作,对一种用于船体维护的爬壁机器人开展了设计与研究。首先,对爬壁机器人的机械结构开展详细设计,该机器人主要由底盘、打磨头和可变形履带组成,并结合设计结果对其功能原理进行阐述;然后,对吸附单元的关键部件和整体框架结构开展了静力学和倾覆力验证计算;最后,利用COMSOL有限元分析软件中的AC/DC模块进行变形履带的磁吸附力分析,求得满足机器人安全工作的吸附条件,确定了以钕铁棚磁铁N35为吸附材料的可行性,并明确了用于隔振抗磨损的磁铁垫片最大厚度为3 mm时,一个磁体吸附单元最大可达34.2 N。研究结果为同类产品的开发提供了参考。

站房钢结构维护用磁吸附爬壁机器人设计及试验研究

本文设计一类用于H型及箱型断面钢柱喷砂、检测、除锈的磁轮式爬壁机器人,以进行站房钢柱高空相关作业的人工替代。通过力学分析,确定机器人负载、磁力布置及大小,以及确保稳定爬行和不倾覆的负载冗余。通过机械设计,使得机器人具有四驱传动能力,设计的水平减振装置满足了机器人对壁面有一定适应性。针对沿柱爬行的路径跟踪问题,开发了一种基于改进的模糊差速PID控制算法的控制器,实时根据机器人本体纵中心轴线与柱参考面的位置关系合理调整双电机转速,实现轨迹纠偏,结果表明该方法满足控制精度要求,可实现机器人的稳定运行。经集成测试及迭代优化,研制了爬壁机器人样机及中试机,并在济南东站示范应用。试验结果显示,机器人可在多工况下作业,满足设计指标。

汽轮发电机检测机器人磁吸附单元设计与优化研究

为提高检测机器人的吸附性能并降低机器人的重量,本研究采用有限元仿真、数值拟合和人工蜂群算法对永磁吸附单元进行了设计与优化。设计了3种不同的磁路,利用Ansoft Maxwell仿真软件分析了不同磁路的吸附性能,结果表明,与传统H形磁路相比Halbach磁路具有更优异的性能,对于Halbach阵列,当永磁体宽度、厚度一定时,随着垂直磁化永磁体长度的增大,磁吸附力先增大后减小。利用人工蜂群算法对磁路进行了参数优化,参数优化后的磁吸附单元体积减小,单位质量磁吸附力增大。基于机器人本体开展功能验证实验,实验结果证明爬壁机器人能在任意工作位置下稳定运行。

瓦形磁吸单元磁路设计及其力学特性研究

船舶喷漆与除锈等作业需求量大,爬壁机器人成为该领域研究热点。瓦形磁吸单元是机器人在垂直钢质立面附壁行走核心装置。为提高磁力和降低磁力对距离敏感性,对瓦形磁性单元采用Halbach阵列充磁的新型磁路设计,利用数值仿真与试验方法开展瓦形磁吸单元力学特性研究。结果表明:Halbach阵列磁路的磁质比是常规配对磁路的2.87倍,衰减率是其0.5倍;Halbach阵列瓦形磁吸单元优化了磁路,减弱了异性磁极间的磁场损耗,使得磁吸单元表面磁感应强度增强。

一种中小型船舶检测爬壁机器人吸附能力研究

针对传统船舶维修行业人工劳动量大、维护成本高和环境污染等问题,本文主要对中小型船舶检测爬壁机器人的吸附能力进行研究。设计爬壁机器人的整体结构,并对机器人工作时的力学特性进行分析,提高机器人整体的运动灵活性。为使爬壁机器人保持工作可靠性,对其永磁吸附单元的结构进行设计,模拟与爬壁机器人实际工作相类似的环境,采用Maxwell软件对永磁吸附装置的磁性特征进行仿真分析,并对各构件尺寸参数进行优化设计。仿真结果表明,单元磁块的磁力随宽度和长度呈正比例增长,高度在20mm以下时,呈正比例变化,超过20mm后变化平缓。仿真分析结果表明,爬壁机器人的永磁吸附装置为在船舶壁面上工作提供了足够的吸附力。本文为船舶壁面检测维护机器人的永磁吸附装置设计提供了新思路。

履带式爬壁机器人磁吸附单元的参数分析与优化

针对履带式爬壁机器人磁吸附单元吸附效率低的问题,基于正交实验设计、响应面近似模型和敏感性分析方法,对其进行了参数分析与结构优化。建立了磁吸附单元有限元模型,并采用正交实验设计和响应面近似模型方法,得到了磁吸附单元各参数与磁吸附力的关系表达式。通过敏感性分析,量化了磁吸附单元各参数对磁吸附力的影响程度。确定了永磁体的长、宽、高、轭铁的厚度和永磁体与壁面的距离作为优化模型的设计变量。优化设计后,磁吸附单元的吸附效率有了显著的提升,由2.0297提升至3.9381。

风电塔筒爬壁机器人吸附结构优化设计及试验研究

为适应风电塔筒外壁作业需要,设计了一种可自适应曲面的永磁吸附履带式爬壁机器人,并对吸附结构进行了优化。首先建立了爬壁机器人在壁面的吸附力学模型,分析了爬壁机器人永磁吸附单元所需要的最小吸附力;其次设计了永磁吸附单元的基本结构及履带上永磁吸附单元的排列方式,通过有限元软件分析了不同设计参数对永磁吸附单元吸附力和磁质比的影响,并基于响应面模型,通过多目标优化分析得到了设计参数的最优值;最后通过永磁吸附单元和整机试验验证了吸附结构优化结果的可靠性及爬壁机器人负载稳定性。

新型爬壁机器人磁吸附单元优化设计

为满足爬壁机器人负载能力和运动灵活性的要求,提出了一种新型变磁力吸附单元机构。首先介绍了机构的构型并建立了三维磁场模型,然后基于有限元方法对新型磁吸附单元的磁场进行了分析,得到了其磁感应强度分布和磁吸附力。运用ANSYS的APDL参数技术对吸附单元参数进行了优化,分析得出优化原则。通过与传统H形磁吸附机构性能参数仿真比较,表明新型结构具有永磁利用率高、最大最小吸附力比值大、自重轻而负载能力强的特点。实验验证了优化结果的准确性,为设计爬壁机器人磁吸附机构提供了依据。

基于Halbach阵列爬壁机器人磁吸附单元的优化设计

针对爬壁机器人磁吸附单元磁能利用率低的问题,通过对Halbach永磁阵列结构参数的研究分析,建立了磁吸附单元的优化设计目标(最大吸附力与吸附单元质量比)和约束条件。基于实验数据验证了有限元模型和方法,结合Isight软件和仿真分析进行了磁吸附单元的优化。结果表明,Halbach永磁阵列中,水平磁化永磁体主要起引导磁力线的作用,垂直磁化永磁体产生通过壁面的垂直磁力线,形成磁吸附力;磁吸附单元优化后的最大吸附力与吸附单元重量比可达1 156,磁能利用率大幅度提高。

喷砂除锈爬壁机器人磁吸附结构优化设计及整机性能试验

对爬壁机器人不下滑和不倾覆两种力学模型进行分析,研究磁吸附单元各个尺寸参数对吸附力的贡献关系,在提高吸附力的同时减小磁吸附单元的体积。结果表明:磁吸附单元的吸附力随着磁铁长度增大而增大,由于乙型回路的磁力线主要集中在磁铁的中间和两端,随着磁铁长度的增大利用率降低;磁吸附单元的吸附力随其厚度增加呈抛物线增长,当永磁铁厚度大于宽度的0.6倍时,由于工作面内的磁感应强度趋于饱和,厚度持续增加对吸附力的贡献减小;轭铁板厚度和隔磁板厚度对吸附力有不同程度的影响,存在最佳尺寸;在爬壁机器人最上端设有辅助吸盘,增加抗倾覆力矩,提高爬壁机器人的越障能力。

船舶喷砂除锈爬壁式机器人设计

设计一种船舶喷砂除锈爬壁式机器人,以代替人工高空除锈作业。通过静力分析仿真,确定负载、单个磁吸附单元磁力与壁面角度之间的关系,以及保证不下滑和不翻转的最大负载。通过动力分析仿真,确定电机及减速器输出的最小转矩。根据仿真结果研制爬壁机器人样机,结果显示,该机可在各工况下运作,且能爬越10 mm高的障碍,满足工作要求。

小型舰船吸附式机器人的设计与智能控制

水下机器人是有效提高船舶机械化、自动化与智能化的方法。本文给出小型舰船吸附式机器人的设计和控制方法。首先介绍吸附式机器人的基本结构,然后给出新型吸附单元的模型,该模型使用Halbach阵列模型,并对其理想模型以及非理想模型进行描述,同时也给出优化算法。实验结果表明,本文设计的吸附式模型具有可靠的吸附能力。

新型双层Halbach永磁单元建模与仿真研究

针对有效提高爬壁机器人磁吸附单元吸附能力的问题,基于磁体同极对接和传统Halbach永磁体阵列吸附单元,提出并设计了一种新型双层Halbach永磁体阵列吸附单元。首先,运用Ansoft Maxwell软件对建立的吸附单元模型进行分析,得到其磁力线和磁感应强度更集中分布在工作间隙中。其次,对磁吸附单元构成模块的相关结构尺寸进行优化分析并得到优化后的结构尺寸。最后,用优化后的吸附单元与传统Halbach磁吸附单元进行仿真比较分析。仿真结果表明,在相同尺寸条件下,新型双层Halbach永磁体阵列吸附单元的磁吸附力提高了50.25%,为磁力吸附爬壁机器人磁吸附单元设计提供了方向。

麦克纳姆履带式爬壁机器人磁吸附单元结构设计与仿真

为了解决履带式磁吸附爬壁机器人负载能力和运动灵活性之间的矛盾问题,结合Halbach永磁铁阵列的优势与麦克纳姆轮的灵活性,提出麦克纳姆履带式爬壁机器人的概念,并设计了安装于履带链节上且磁吸附力可调的新型磁吸附单元。首先,介绍磁吸附单元的结构和原理;然后,运用Ansoft Maxwell软件对磁吸附单元进行仿真,通过与传统Halbach磁吸附单元对比分析,结果表明,麦克纳姆履带式Halbach磁吸附单元结构在脱离工作表面时最大最小磁吸附力比值大,使得磁吸附单元便于与壁面脱离;最后,运用ADAMS软件进行磁吸附单元动力学仿真,得到该过程磁吸附力变化曲线图和驱动电机输出扭矩变化曲线图。仿真结果验证了采用麦克纳姆履带式Halbach磁吸附单元的履带式爬壁机器人运动更平稳,灵活性更高,电机消耗功率更少。

磁力吸附爬柱机器人磁吸附单元磁路设计分析

为减少爬柱机器人磁吸附装置所占空间及机器人的重量,基于Halbach永磁阵列提出一种双层上下对顶式磁路设计模型。采用1块永磁铁(2 cm×4 cm×1 cm),并将其沿厚度方向平分,上方半块永磁铁磁化方向是从上到下为N到S极,下方半块永磁铁在长度方向再分别平分为5片、10片、15片、20片、25片、30片、35片,并对各组分片采用Halbach阵列排布,构成7种排列模型。通过Ansoft软件对这7种排列模型进行磁吸附力仿真分析,进而确定最佳分片数目及Halbach阵列排布。仿真结果说明:在同等的永磁铁体积下,下方分为15片永磁铁块并呈三个Halbach阵列连续排布时,磁吸附力最大为551.58 N,是1整块永磁铁磁吸附力(166.17 N)的约3.5倍。以此为依据进行爬柱机器人样机设计,能有效控制机器人的体积和重量。

AP1000核电机组钢制安全壳空气导流覆盖区域的检查

通过对AP1000核电机组钢制安全壳的涂层密集浮锈、涂层缺失和涂层点蚀等缺陷的机理分析,结合钢制安全壳的特殊结构及特殊工作环境,从缺陷检测的可达性、覆盖性、安全性和可靠性等方面,提出了一套搭载线性阵列摄像头的磁吸附爬行方式检查方案,并完成研发和制造,成功实施了AP1000核电机组的役前检查,该方案可广泛应用于钢制安全壳领域,为核安全的评估和分析提供详实可靠的数据,可以为安全壳的安全运行提供保障。